Кіріспе

Нуклеин қышқылындағы нуклеотидтердің тізбегі. Нуклеин қышқылының тізбегі – ДНК (GACT) немесе РНК (GACU) молекуласындағы аллельдерді құрайтын нуклеотидтердегі негіздердің тізбегі. Бұл тізбек нуклеотидтердің реттілігін көрсететін бес түрлі әріптің тізбегі арқылы белгіленеді. Конвенция бойынша, тізбек әдетте 5' ұшынан 3' ұшына қарай көрсетіледі. ДНК-ның қос спиральді құрылысы болғандықтан, жазылған тізбек үшін екі мүмкін бағыт бар; осы екі бағыттың ішінде мағыналы тізбек қолданылады. Нуклеин қышқылы әдетте тармақталмаған сызықтық полимер болғандықтан, тізбекті анықтау – бүкіл молекуланың ковалентті құрылымын анықтаумен тең. Осы себепті нуклеин қышқылының тізбегін бастапқы құрылым деп те атайды. Тізбек генетикалық ақпаратты ұсынады. Биологиялық дезоксирибонуклеин қышқылы организмнің қызметтерін басқаратын ақпаратты ұсынады. Нуклеин қышқылының екінші және үшінші құрылымдары да болады. Бастапқы құрылым кейде қате түрде "бастапқы тізбек" деп аталады. Дегенмен, екінші немесе үшінші тізбек туралы ұғым жоқ.

Нуклеотидтер

Нуклеин қышқылдары нуклеотидтер деп аталатын байланысқан бірліктер тізбегінен тұрады. Әр нуклеотид үш кіші бірліктен құралады: фосфат тобы мен қант (РНК-да рибоза, ДНК-да дезоксирибоза) нуклеин қышқылының негізгі құрылымын құрайды, ал қантқа нуклеобазалардың бірі бекітілген. Нуклеобазалар, мысалы, белгілі қос спираль сияқты жоғары деңгейдегі екінші және үшінші құрылымдарды қалыптастыру үшін жіптердің жұптасуында маңызды рөл атқарады. Мүмкін болатын әріптер – А, С, Г және Т, олар ДНК тізбегінің төрт нуклеотидтік негізін көрсетеді – аденин, цитозин, гуанин, тимин – және фосфодиэстерлік тірекке ковалентті байланысқан. Әдетте, тізбектер бір-біріне тікелей жанасып, үзіліссіз жазылады, мысалы, AAAGTCTGAC тізбегі, солдан оңға қарай 5'–3' бағытында оқылады. Транскрипцияға қатысты, егер тізбек транскрипцияланған РНК-мен бірдей реттілікке ие болса, ол кодтаушы жіп болып саналады. Бір тізбек екінші тізбекке толықтырғыш болуы мүмкін, яғни олар толықтырғыш (яғни А–Т, С–Г) жұптасу қағидасына сәйкес әрбір позициядағы негіздері кері ретпен орналасқан. Мысалы, TTAC тізбегіне толықтырғыш тізбек GTAA болады. Егер қос спиральды ДНК-ның бір жібі сезімді жіп деп есептелсе, онда екінші жіп, антисезімді жіп деп аталады, сезімді жіпке толықтырғыш тізбекке ие болады.

Биологиялық маңызы

Биологиялық жүйелерде нуклеин қышқылдары тірі жасушаның белгілі бір ақуыздарды құрастыру үшін пайдаланатын ақпаратты қамтиды. Нуклеин қышқылының тізбегіндегі нуклеобазалардың реті жасуша механизмімен ақуыз тізбегін құрайтын аминқышқылдарының ретіне аударылады. Кодон деп аталатын үш негізден тұратын әрбір топ бір ғана аминқышқылына сәйкес келеді, және үш негіздің кез келген мүмкін комбинациясы белгілі бір аминқышқылына сәйкес келетін нақты генетикалық код бар. Молекулалық биологияның орталық догмасы нуклеин қышқылдарындағы ақпаратты пайдаланып ақуыздардың қалай құрылатынын түсіндіреді. ДНҚ мРНҚ молекулаларына транскрипцияланады, олар рибосомаға жетеді, онда мРНҚ ақуыз тізбегін құру үшін матрица ретінде қолданылады. Нуклеин қышқылдары толықтыратын тізбектері бар молекулалармен байланыса алатындықтан, ақуыздарды кодтайтын "мағыналы" тізбектер мен өздігінен қызмет атқармайтын, бірақ мағыналы тізбекке байланыса алатын толықтыратын "антимағыналы" тізбектер арасында ерекшелік бар.

Тізбелік анықтау

ДНҚ тізбектеу – берілген ДНҚ фрагментінің нуклеотидтік тізбесін анықтау процесі. Кез келген тірі организмнің ДНҚ-сы оның тірі қалуы және көбейуі үшін қажетті ақпаратты кодтайды. Сондықтан, тізбекті анықтау организмдердің не үшін және қалай өмір сүретінін түсіну үшін, сондай-ақ қолданбалы зерттеулерде де пайдалы. ДНҚ тірі организмдер үшін маңызды болғандықтан, ДНҚ тізбегін білу биологиялық зерттеулердің кез келген саласында қолданылуы мүмкін. Мысалы, медицинада оны генетикалық ауруларды анықтау, диагностикалау және оларға емдеу әзірлеу үшін пайдалануға болады. Сол сияқты, патогендерді зерттеу жұқпалы ауруларға қарсы ем табуға көмектеседі. Биотехнология – дамып келе жатқан және көптеген пайдалы өнімдер мен қызметтерді ұсынуға потенциалы бар сала. РНҚ тікелей тізбектеуге жатпайды. Оның орнына, кері транскриптаза арқылы ДНК-ға көшіріліп, содан кейін осы ДНК тізбектеледі. Қазіргі секвенирлеу әдістері ДНҚ полимеразаларының ажырату қабілетіне сүйенгендіктен, тек төрт негізді ғана ажырата алады. Инозин (РНҚ өңдеу кезінде аденозиннен пайда болатын) G ретінде, ал 5-метилцитозин (цитозиннен ДНҚ метилирлеу арқылы пайда болатын) C ретінде оқылады. Қазіргі технологиямен ДНК-ның аз мөлшерін тізбектеу қиын, себебі сигнал өлшеуге тым әлсіз болады. Бұл полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) арқылы күшейту арқылы шешіледі.

Цифрлық бейнелеу

Организмнен нуклеин қышқылының тізбегі алынғаннан кейін, ол цифрлық форматта информатикалық жүйеде сақталады. Цифрлық генетикалық тізбектер тізбектер базасында сақталуы, талдануы (төмендегі Тізбек талдау бөлімін қараңыз), цифрлық түрде өңделуі және жасанды ген синтезі арқылы жаңа, нақты ДНК құру үшін үлгі ретінде қолданылуы мүмкін.

Реттік талдау

Цифрлық генетикалық тізбектерді биоинформатика құралдарын пайдаланып, оның қызметін анықтауға талдау жасау мүмкін.

Генетикалық тестілеу

Организмнің геномдағы ДНК-ны мұрагерлік ауруларға осалдықты диагностикалау үшін талдауға болады, сондай-ақ баланың әкесін (генетикалық әкесін) немесе адамның тегін анықтау үшін де пайдалануға болады. Әдетте, әр адам әр геннің екі түрін мұраға алады, біреуін анасынан, екіншісін әкесінен. Адам геномында шамамен 20 000–25 000 ген бар деп саналады. Жеке гендердің деңгейінде хромосомаларды зерттеуден өзге, генетикалық тестілеудің кең мағынасында генетикалық аурулардың болу мүмкіндігін анықтау үшін биохимиялық тесттер, немесе генетикалық тәртіпсіздіктерге шалдығу қаупін арттыратын гендердің өзгерген түрлері де қарастырылады. Генетикалық тестілеу хромосомалардың, гендердің немесе ақуыздардың өзгерістерін анықтайды. Көбінесе, тестілеу мұрагерлік аурулармен байланысты өзгерістерді табу үшін қолданылады. Генетикалық тест нәтижелері күдікті генетикалық жағдайды растауға немесе жоққа шығаруға, сондай-ақ адамның генетикалық тәртіпсіздікке шалдығу немесе оны ұрпаққа беру мүмкіндігін анықтауға көмектеседі. Қазіргі уақытта жүзден астам генетикалық тест қолданылуда, және одан да көп тесттер әзірленуде.

Тізбелік сәйкестендіру

Биоинформатикада тізбектерді үйлестіру – ДНК, РНК немесе белок тізбектерін орналастырудың бір тәсілі. Бұл тәсіл тізбектер арасындағы функционалдық, құрылымдық немесе эволюциялық байланыстарға байланысты болуы мүмкін ұқсас аймақтарды анықтау үшін қолданылады. Егер үйлестірілген екі тізбектің ортақ ата-тегі болса, айырмашылықтарды нүктелік мутациялар ретінде, ал бос орындарды енгізу немесе жою мутациялары (инделдер) ретінде қарастыруға болады, олар екі тізбек бір-бірінен бөлінгеннен кейін пайда болған. Белок тізбектерін үйлестіргенде, тізбектегі белгілі бір позицияны иеленетін аминқышқылдарының ұқсастық деңгейі сол аймақтың немесе тізбек мотивінің түрлер арасында қаншалықты сақталғанын шамамен көрсетеді. Тізбектің белгілі бір аймағында алмастырулардың болмауы немесе тек өте консервативті алмастырулардың болуы (яғни, жанама тізбектері ұқсас биохимиялық қасиеттері бар аминқышқылдарының алмасуы) осы аймақтың құрылымдық немесе функционалдық маңызға ие екенін көрсетеді. ДНК және РНК нуклеотидтерінің негіздері аминқышқылдарына қарағанда бір-біріне көбірек ұқсас болғанымен, негіз жұптарының сақталуы ұқсас функционалдық немесе құрылымдық рөлді көрсете алады. Есептемелік филогенетика филогенетикалық ағаштарды құру және түсіндіру үшін тізбектерді үйлестіруді кеңінен пайдаланады, олар әртүрлі түрлердің геномдарындағы гомологты гендер арасындағы эволюциялық байланыстарды жіктеу үшін қолданылады. Сұраныс тізбектерінің өзара айырмашылығы олардың эволюциялық қашықтығымен сапалық түрде байланысты. Жалпы айтқанда, жоғары тізбек сәйкестігі сұраныстағы тізбектердің салыстырмалы түрде жақын ортақ ата-тегі бар екенін көрсетеді, ал төмен сәйкестік олардың арасындағы айырмашылықтың көнерек екенін көрсетеді. Бұл жуықтау "молекулалық сағат" гипотезасын көрсетеді, яғни эволюциялық өзгерістердің шамамен тұрақты деңгейін пайдаланып екі ген алғаш рет бөлінгеннен бері өткен уақытты болжауға болады (яғни, коалесценция уақыты). Бұл мутация мен таңдаудың әсері тізбектерде тұрақты деп есептейді. Сондықтан ол организмдер немесе түрлер арасындағы ДНК жөндеу жылдамдығының немесе тізбектегі белгілі бір аймақтардың функционалдық сақталуының ықтимал айырмашылықтарын ескермейді. (Нуклеотидтік тізбектер үшін молекулалық сағат гипотезасының ең қарапайым түрі берілген кодонның мағынасын өзгертпейтін үнсіз мутациялар мен белокқа басқа аминқышқылы қосылатын басқа мутациялар арасындағы қабылдау деңгейлерінің айырмашылығын да ескермейді.) Көбірек статистикалық дәлдікке ие әдістер филогенетикалық ағаштың әр тармағындағы эволюциялық жылдамдықтың өзгеруіне мүмкіндік береді, осылайша гендердің коалесценция уақытын жақсырақ бағалауға мүмкіндік береді.

Тізбелік энтропия

Биоинформатикада, тізбек энтропиясы, сонымен қатар тізбек күрделілігі немесе ақпараттық профиль деп аталады, бұл ДНК тізбегінің жергілікті күрделілігінің сандық өлшемін, өңдеу бағытына тәуелсіз түрде беретін сандық тізбек. Ақпараттық профильдерді манипуляциялау, сызықты сәйкестендіруді қажет етпейтін әдістер арқылы тізбектерді талдауға мүмкіндік береді, мысалы, мотивтерді және құрылымдық өзгерістерді анықтау сияқты.